從PCB到軟件處理 談單片機(jī)系統(tǒng)的電磁兼容性設(shè)計(jì)

本文中所提到的對電磁干擾的設(shè)計(jì)我們主要從硬件和軟件方面進(jìn)行設(shè)計(jì)處理，下面就是從單片機(jī)的PCB設(shè)計(jì)到軟件處理方面來介紹對電磁兼容性的處理。

一、影響EMC的因數(shù)

1、電壓：電源電壓越高，意味著電壓振幅越大，發(fā)射就更多，而低電源電壓影響敏感度。

2、頻率：高頻產(chǎn)生更多的發(fā)射，周期性信號產(chǎn)生更多的發(fā)射。在高頻單片機(jī)系統(tǒng)中，當(dāng)器件開關(guān)時(shí)產(chǎn)生電流尖峰信號;在模擬系統(tǒng)中，當(dāng)負(fù)載電流變化時(shí)產(chǎn)生電流尖峰信號。

3、接地：在所有EMC題目中，主要題目是不適當(dāng)?shù)慕拥匾鸬?。有三種信號接地方法：單點(diǎn)、多點(diǎn)和混合。在頻率低于1MHz時(shí)，可采用單點(diǎn)接地方法，但不適宜高頻;在高頻應(yīng)用中，最好采用多點(diǎn)接地。混合接地是低頻用單點(diǎn)接地，而高頻用多點(diǎn)接地的方法。地線布局是關(guān)鍵，高頻數(shù)字電路和低電平模擬電路的接地電路盡不能混合。

4、PCB設(shè)計(jì)：適當(dāng)?shù)挠∷㈦娐钒?PCB)布線對防止EMI是至關(guān)重要的。

5、電源往耦：當(dāng)器件開關(guān)時(shí)，在電源線上會(huì)產(chǎn)生瞬態(tài)電流，必須衰減和濾掉這些瞬態(tài)電流。來自高di/dt源的瞬態(tài)電流導(dǎo)致地和線跡“發(fā)射”電壓，高 di/dt產(chǎn)生大范圍的高頻電流，激勵(lì)部件和線纜輻射。流經(jīng)導(dǎo)線的電流變化和電感會(huì)導(dǎo)致壓降，減小電感或電流隨時(shí)間的變化可使該壓降最小。

二、對干擾措施的硬件處理方法

1、印刷線路板(PCB)的電磁兼容性設(shè)計(jì)

PCB是單片機(jī)系統(tǒng)中電路元件和器件的支撐件，它提供電路元件和器件之間的電氣連接。隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，PCB的密度越來越高。PCB設(shè)計(jì)的好壞對單片機(jī)系統(tǒng)的電磁兼容性影響很大，實(shí)踐證實(shí)，即使電路原理圖設(shè)計(jì)正確，印刷電路板設(shè)計(jì)不當(dāng)，也會(huì)對單片機(jī)系統(tǒng)的可靠性產(chǎn)生不利影響。例如，假如印刷電路板的兩條細(xì)平行線靠的很近，會(huì)形成信號波形的延遲，在傳輸線的終端形成反射噪聲。因此，在設(shè)計(jì)印刷電路板的時(shí)候，應(yīng)留意采用正確的方法，遵守PCB設(shè)計(jì)的一般原則，并應(yīng)符合抗干擾的設(shè)計(jì)要求。要使電子電路獲得最佳性能，元器件的布局及導(dǎo)線的布設(shè)是很重要的。

2、輸入/輸出的電磁兼容性設(shè)計(jì)

在單片機(jī)系統(tǒng)中輸進(jìn)/輸出也是干擾源的傳導(dǎo)線，和接收射頻干擾信號的拾檢源，我們設(shè)計(jì)時(shí)一般要采取有效的措施：

①采用必要的共模/差模抑制電路，同時(shí)也要采取一定的濾波和防電磁屏蔽措施以減小干擾的進(jìn)進(jìn)。

②在條件許可的情況下盡可能采取各種隔離措施(如光電隔離或者磁電隔離)，從而阻斷干擾的傳播。

3、單片機(jī)復(fù)位電路的設(shè)計(jì)

在單片機(jī)系統(tǒng)中，看門狗系統(tǒng)對整個(gè)單片機(jī)的運(yùn)行起著特別重要的作用，由于所有的干擾源不可能全部被隔離或往除，一旦進(jìn)進(jìn)CPU干擾程序的正常運(yùn)行，那么復(fù)位系統(tǒng)結(jié)合軟件處理措施就成了一道有效的糾錯(cuò)防御的屏障了。常用的復(fù)位系統(tǒng)有以下兩種：

①外部復(fù)位系統(tǒng)。外部“看門狗”電路可以自己設(shè)計(jì)也可以用專門的“看門狗”芯片來搭建。然而，他們各有優(yōu)缺點(diǎn)，大部分專用“看門狗”芯片對低頻“喂狗” 信號不能響應(yīng)，而高頻“喂狗”信號都能響應(yīng)，使其在低頻“喂狗”信號下產(chǎn)生復(fù)位動(dòng)作而在高頻的“喂狗”信號下不產(chǎn)生復(fù)位動(dòng)作，這樣，假如程序系統(tǒng)陷進(jìn)一個(gè)死循環(huán)，而該循環(huán)中恰巧有著“喂狗”信號的話，那么該復(fù)位電路就無法實(shí)現(xiàn)它的應(yīng)有的功能了。然而，我們自己可以設(shè)計(jì)一個(gè)具有帶通的“喂狗”電路和其他復(fù)位電路構(gòu)成的系統(tǒng)就是一個(gè)很有效外部監(jiān)控系統(tǒng)了。

②現(xiàn)在越來越多的單片機(jī)都帶有自己的片上復(fù)位系統(tǒng)，這樣用戶就可以很方便的使用其內(nèi)部的復(fù)位定時(shí)器了，但是，有一些型號的單片機(jī)它的復(fù)位指令太過于簡單，這樣也會(huì)存在象上述死循環(huán)那樣的“喂狗”指令，使其失往監(jiān)控作用。有一些單片機(jī)的片上復(fù)位指令就做的比較好，一般他們把“喂狗”信號做成固定格式的多條指令依順序來執(zhí)行，假如有一定錯(cuò)誤則該“喂狗”操縱無效，這樣就大大進(jìn)步了復(fù)位電路的可靠性。

4、振蕩器

大部分的單片機(jī)都有一個(gè)耦合于外部晶體或陶瓷諧振器的振蕩器電路。在PCB上，要求外接是電容、晶體或陶瓷諧振器的引線越短越好。RC振蕩器對干擾信號有潛伏的敏感性，它能產(chǎn)生很短的時(shí)鐘周期，因而最好選晶體或陶瓷諧振器。另外，石英晶體的外殼要接地。

5、防雷擊措施

室外使用的單片機(jī)系統(tǒng)或從室外排擠引進(jìn)室內(nèi)的電源線、信號線，要考慮系統(tǒng)的防雷擊題目。常用的防雷擊器件有：氣體放電管、TVS等。氣體放電管是當(dāng)電源的電壓大于某一數(shù)值時(shí)，通常為數(shù)十V或數(shù)百V，氣體擊穿放電，將電源線上強(qiáng)沖擊脈沖導(dǎo)進(jìn)大地。TVS可以看成兩個(gè)并聯(lián)且方向相反的齊納二極管，當(dāng)兩端電壓高于某一值時(shí)導(dǎo)通。其特點(diǎn)是可以瞬態(tài)通過數(shù)百乃上千A的電流。

三、對干擾措施的軟件處理方法

電磁干擾源所產(chǎn)生的干擾信號在一些特定的情況下(比如在一些電磁環(huán)境比較惡劣的情況下)是無法完全消除的，終極將會(huì)進(jìn)進(jìn)CPU處理的的核心單元，這樣在一些大規(guī)模集成電路經(jīng)常會(huì)受到干擾，導(dǎo)致不能正常工作或在錯(cuò)誤狀態(tài)下工作。特別是像RAM這種利用雙穩(wěn)態(tài)進(jìn)行存儲(chǔ)的器件，往往會(huì)在強(qiáng)干擾下發(fā)生翻轉(zhuǎn)，使原來存儲(chǔ)的“0”變?yōu)? “1”，或者“1”變?yōu)?ldquo;0”;一些串行傳輸?shù)臅r(shí)序及數(shù)據(jù)會(huì)因干擾而發(fā)生改變;更嚴(yán)重的會(huì)破壞一些重要的數(shù)據(jù)參數(shù)等;造成的后果往往是很嚴(yán)重的。在這種情況下軟件設(shè)計(jì)的好壞直接影響到整個(gè)系統(tǒng)的抗干擾能力的高低。

1、程序會(huì)由于電磁干擾大致會(huì)一下幾種情況：

①程序跑飛。這種情況是最常見的干擾結(jié)果，一般來說有一個(gè)好的復(fù)位系統(tǒng)或軟件幀測系統(tǒng)即可，對整個(gè)運(yùn)行系統(tǒng)的不會(huì)產(chǎn)生太大的影響。

②死循環(huán)或不正常程序代碼運(yùn)行。當(dāng)然這種死循環(huán)和不正常程序代碼并非設(shè)計(jì)職員有意寫進(jìn)的，我們知道程序的指令是由字節(jié)組成的，有的是單字節(jié)指令而有的是多字節(jié)指令，當(dāng)干擾產(chǎn)生后使得PC指針發(fā)生變化，從而使原來的程序代碼發(fā)生了重組產(chǎn)生了不可猜測的可執(zhí)行的程序代碼，那么，這種錯(cuò)誤是致命的，它會(huì)有可能會(huì)往修改重要的數(shù)據(jù)參數(shù)，有可能產(chǎn)生不可猜測的控制輸出等一系列錯(cuò)誤狀態(tài)。